Applications capacitives pour secteurs aéronautique et spatial
Les technologies de mesure capacitive sans contact sont de plus en plus prisées dans les secteurs aéronautique et spatial. Utilisées pour le contrôle dimensionnel, la surveillance des jeux mécaniques, l’analyse vibratoire ou encore les opérations de maintenance, elles permettent d’obtenir des mesures extrêmement précises dans des environnements particulièrement sévères : hautes températures, fortes vitesses de rotation, contraintes mécaniques importantes ou conditions cryogéniques.
Grâce à leur robustesse, leur fiabilité et leur capacité à fonctionner sans contact avec la cible, les capteurs capacitifs répondent aux exigences des constructeurs et équipementiers aéronautiques pour les phases de développement, d’essais et de maintenance des turbomachines et systèmes embarqués. Tour d’horizon des principales applications des technologies capacitives dans les domaines aéronautique et spatial.
Rappel sur la mesure dimensionnelle sans contact
La capacité C formée entre deux électrodes en regard est de la forme :
C = f(εoεr S/d).
En mesure dimensionnelle, les paramètres εoεr (constante diélectrique du milieu) et S (surface de l’électrode de mesure) sont considérés comme constants. La capacité mesurée entre le capteur et la cible en regard ne dépend donc uniquement de la distance qui les sépare.
Les capteurs capacitifs peuvent adopter différentes géométries, comme illustré figure 1. Selon les matériaux utilisés, ils peuvent fonctionner dans des environnements allant des températures cryogéniques jusqu’à plus de 1200 °C.
Mesure du voile et de l’épaisseur de disques de frein sur aéronef ou banc d’essai
Les capteurs (comme celui en figure 2) disposent d’une étendue de mesure comprise entre 3 et 8 mm et sont associés aux conditionneurs de la série CAP 100.
La bande passante couvre des fréquences allant du continu jusqu’à plusieurs kHz.
Le disque carbone constitue la cible typiquement mesurée dans ce type d’application.
Une solution complète « clé en main », intégrant l’acquisition et le traitement des données avec affichage en temps réel, est également disponible.
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Mesure du jeu aube / carter sur compresseurs et turbines
Afin d’obtenir le meilleur rendement possible, il est indispensable de réduire au maximum le jeu entre les aubes et le carter. Toutefois, notamment lors des phases transitoires, un risque de contact peut apparaître.
Pour optimiser ce jeu, il est souvent nécessaire de réaliser, en phase de développement, des mesures dans toutes les conditions de fonctionnement.
L’utilisation de capteurs capacitifs fait aujourd’hui l’unanimité grâce à leur grande robustesse. Ils ne nécessitent pas de refroidissement, même dans les zones turbine, et leur mise en œuvre reste relativement simple.
Associés aux conditionneurs de la série CAP1800 (figure 3), ces capteurs permettent d’obtenir des mesures de jeu avec une incertitude de quelques dizaines de micromètres sur toute la plage de vitesses de rotation.
Deux types de traitement des mesures sont proposés :
- Une mesure simplifiée donnant la valeur RMS ;
- Une analyse complète du jeu aube par aube.
Un système complet est disponible, incluant le système d’acquisition et le logiciel de traitement associé. La figure 4 présente l’IHM du logiciel de mesure de jeu.
Mesure des vibrations d'aubes par Blade Tip Timing
Pour une turbomachine aéronautique ou terrestre, les vibrations d’aubes constituent une cause majeure de défaillance. Les phénomènes de fissuration liés à l’ingestion de projectiles, à la corrosion ou à la fatigue cyclique sont fortement accentués par ces vibrations.
Les résonances synchrones et non synchrones sont des phénomènes complexes. Leur identification fait partie de la caractérisation initiale de la machine puis de son suivi durant toute sa durée de vie.
Les aubages figurent parmi les composants les plus coûteux d’une turbomachine. Pourtant, ils restent souvent les moins surveillés, alors même qu’une rupture d’aube peut avoir des conséquences catastrophiques.
Il est donc essentiel de disposer d’une solution de mesure performante, peu intrusive, fiable et simple à mettre en œuvre, capable de surveiller l’ensemble des aubages et non seulement quelques aubes isolées.
L’utilisation de capteurs capacitifs sans contact (identiques à ceux employés pour la mesure de jeu) couplés à la mesure des instants de passage de chaque aube, permet de caractériser le comportement vibratoire d’un étage complet.
Avec un minimum de trois capteurs judicieusement positionnés, une première caractérisation vibratoire peut être obtenue. L’ajout d’un plus grand nombre de capteurs capacitifs permet ensuite d’identifier les modes vibratoires aux fréquences élevées.
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Maintenance du fan d’entrée des moteurs aéronautiques
Même en utilisation normale, un moteur d’aéronef peut ingérer des corps étrangers, des graviers ou du sable. Ceux-ci peuvent causer des dommages aux pales du fan d’entrée et, les entourant, au revêtement composé de résine abradable.
Parmi les opérations de maintenance réalisées sur les gros moteurs, comme le GE90, figure le contrôle du jeu entre les aubes et le carter (composite titane/carbone), ainsi que la vérification de la concentricité de l’abradable en résine époxy.
Jusqu’à présent, ces contrôles étaient effectués manuellement à l’aide de différentes cales Johnson. Cette opération était particulièrement longue et les résultats pouvaient varier selon les opérateurs.
Afin de réduire les temps d’intervention et de supprimer les dispersions de mesure, un avionneur de premier plan a choisi d’automatiser ce processus.
Les mesures dimensionnelles (jeu d’extrémité d’aube/carter et ovalisation du carter) sont réalisées à l’aide de capteurs capacitifs. Cette technologie a été retenue car elle fonctionne aussi bien sur des cibles conductrices, telles que les aubes, que sur des matériaux isolants comme l’abradable en résine époxy du carter.
Cette solution a permis de réduire considérablement le temps d’intervention (quelques minutes au lieu de plusieurs heures) tout en éliminant les écarts de mesure entre opérateurs.
Mesure de vitesse et de jeu aube / carter sur turbocompresseur cryogénique
Les moteurs cryogéniques des lanceurs de la fusée Ariane utilisent des turbocompresseurs chargés de délivrer l’oxygène et l’hydrogène sous haute pression. Une partie des gaz chauds est utilisée pour entraîner la turbine.
La figure 7 présente un capteur capacitif à isolant céramique utilisé, sur banc d’essai, pour la mesure combinée de la vitesse de rotation et du jeu aube / carter.
Le système d’acquisition et le logiciel (identiques à ceux présentés dans la partie “Mesure du jeu aube / carter sur compresseurs et turbines”) sont utilisés pour l’affichage en temps réel des jeux et de la vitesse de rotation.
